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【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种具有so2基电解质的可充电电池单元。
技术介绍
1、可充电电池单元在许多
中都非常重要。它们通常用于仅需要具有相对较低电流强度的小型可充电电池,例如,用于手机的操作。此外,还非常需要用于高能量应用的可充电电池单元,以电池单元的形式大量储存能量对车辆电力推进尤为重要。
2、高能量密度是对于这些类型的可充电电池单元的一个重要的要求。这意味着每单位重量和体积的可充电电池单元应包含尽可能多的电能。作为一种活性金属,锂已经被证明在该用途是特别有利的。可充电电池单元的活性金属是指当电池正在被充电或放电时,其在电解质中的离子迁移到负极或者正极,并参与那里的电化学过程的金属。这些电化学过程直接地或间接地导致向外部电路释放电子或从外部电路中吸收电子。包括锂作为活性金属的可充电电池单元也被称为锂离子电池。可以通过提高电极的比容量或通过提高电池电压来提高这些锂离子电池的能量密度。
3、锂离子电池的正极和负极均被设计为插入电极。在本专利技术的理解中,术语“插入电极”是指具有晶体结构的电极,在锂离子电池运行期间,活性材料的离子可以储存在晶体结构中或者从晶体结构中移出。这意味着电极过程不仅可以在电极表面上发生,而且可以在晶体结构内发生。当给锂离子电池充电时,活性金属离子从正极中移出并存储在负极中。当锂离子电池放电时,发生相反的过程。
4、电解质也是每个可充电电池单元的重要功能元件。它通常包含溶剂或溶剂混合物以及至少一种导电盐。例如,固体电解质或离子液体不包含溶剂,而仅包含导电盐。电解质与电池单元的
5、现有技术中已知的锂离子电池包括由有机溶剂或溶剂混合物和溶解在其中的导电盐组成的电解质。导电盐是一种锂盐,例如六氟磷酸锂(lipf6)。溶剂混合物可以包括,例如碳酸乙烯酯。这种电解质的一个例子是电解质lp57,电解质lp57的成分是在ec∶emc 3∶7中含有1m的lipf6。由于有机溶剂或溶剂混合物,这些种类的锂离子电池也被称为有机锂离子电池。
6、这些有机锂离子电池的负极包括碳涂层,该碳涂层被应用于一个由铜制成的放电元件。放电元件提供了碳涂层和外部电路之间所需的电子导电连接。正极由钴酸锂(lic0o2)组成,钴酸锂被应用于由铝制成的放电元件上。两个电极的厚度通常都小于100μm,因此非常薄。人们早就知道,有机锂离子电池的意外过度充电会导致电解质组分的不可逆的分解。有机溶剂和/或导电盐的氧化分解发生在正极的表面。分解过程中产生的反应热和由此生成的气态产物是随后所谓的“热失控”和由此导致的有机锂离子电池的破坏的原因。这些有机锂离子电池的绝大多数充电协议采用电池电压作为充电结束的指标。当使用多单元电池组,该多单元电池组中具有多个容量不同的有机锂离子电池被串联连接时,由热失控引起的事故极有可能发生。
7、因此,有机锂离子电池在其稳定性和长期运行可靠性方面存在问题。安全风险也特别是由有机溶剂或溶剂混合物的可燃性引起的。当有机锂离子电池着火甚至爆炸时,电解质中的有机溶剂会形成可燃物。必须采取其他措施来避免此类安全风险。这些措施尤其包括非常精确的调节有机锂离子电池的充电过程和放电过程,以及优化电池设计。此外,有机锂离子电池还包括一些组件,这些组件在温度意外升高的情况下会融化,从而使熔融塑料充满有机锂离子电池。这样就可以防止温度进一步不受控制的升高。然而,这些措施导致增加了有机锂离子电池制造中的生产成本,并且增加了体积和重量。此外,这些措施还降低了有机锂离子电池的能量密度。
8、有机锂离子电池的另一个缺点是,在残留水量存在下产生的任何水解产物对可充电电池单元的电池组件具有很强的侵蚀性。例如,经常在有机电池中使用的导电盐lipf6,通过与微量水反应,会产生非常活泼的、侵蚀性的氟化氢(hf)。因此,当制造具有有机电解质的可充电电池单元时,必须注意尽量减少电解质和电池组件中残留的水量。因此,生产通常在湿度极低的昂贵的干燥室中进行。上述关于稳定性和长期运行可靠性的问题对于有机锂离子电池的开发特别重要,有机锂离子电池一方面的特点是能量和功率密度水平高,另一方面具有很高的运行可靠性和很长的使用寿命,其中包括大量可用的充电和放电循环。
9、为了提高有机锂离子电池的稳定性,在现有技术中除licoo2以外的其他活性材料被用作正极。例如,聚阴离子化合物,如锂金属磷酸盐,已被用作有机锂离子电池正极的活性材料。术语“聚阴离子化合物”是指聚阴离子结构单元和金属氧化物(mox)多面体通过强共价键相互键合的一类材料。早期的实验研究被报道在:
10、padhi等人.“磷橄榄石作为可充电锂电池的正极材料”.j.electrochem.soc.,1997,1188-1194(以下简称为[v1])。
11、在[v1]中,研究了包含聚阴离子(po4)3-的有机锂离子电池正极活性材料。该研究涉及具有这种聚阴离子(po4)3-和金属mn、fe、co和ni的化合物,它们以两种不同的化学结构存在,即橄榄石结构和nasicon结构。描述了这些结构对活性金属锂储存的影响,并报道了使用有机锂离子电池进行少量充电循环(最多25次循环)的实验。
12、还关注了与在有机锂离子电池中使用磷酸铁锂(lep)电极相关的问题。即使对于0.05ma/cm2的非常小的特定区域电流负载,规定的电池电压仅为3.5v。相比之下,使用licoo2电极的电池电压为4v,即高出约14%。另外,lep的电子电导率非常差。这导致了电池电压的急剧下降,即使是在相对较低的电流负载下。有机锂离子电池的容量也严重依赖于电流负载,并下降到使这些有机锂离子电池基本上无法使用的数值,即使在小于0.2ma/em2的特定区域电流负载下。
13、因此,从现有技术中已知的进一步改进提供了使用基于二氧化硫(so2)的电解质代替有机电解质用于可充电电池单元。含有so2基电解质的可充电电池单元此外具有高离子导电性。在本专利技术的理解中,术语“so2基电解质”是指一种电解质,其中不仅包含so2作为低浓度的添加剂,而且在电解质中所含的导电盐中的离子的迁移率至少部分地、甚至完全地由so2保证。因此,so2作为导电盐的溶剂。导电盐可与气态so2形成液态溶剂化物复合体(liquid solvate complex),与纯so2相比,so2被束缚且蒸气压显著降低。产生具有低蒸气压的电解质。与上述有机电解质相比,这些so2基电解质具有不可燃的优点。因此,可以排除由于电解质的易燃性而可能发生的安全风险。<本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种可充电电池单元(2、20、40),包括活性金属、至少一个正极(4、23、44)、至少一个负极(5、22、45)、壳体(1、28)和电解质,
2.根据权利要求1所述的可充电电池单元(2、20、40),其中,所述聚阴离子化合物具有AxMy(Xr1Os1)aFb的组成,其中,
3.根据权利要求2所述的可充电电池单元(2、20、40),其中,所述金属A选自由元素锂、钠、钙或锌组成的组;所述金属A优选为锂或钠。
4.根据权利要求2所述的可充电电池单元(2、20、40),其中,所述金属M选自由元素钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜和锌组成的组。
5.根据权利要求2-4中任意一项所述的可充电电池单元(2、20、40),其中,所述第一聚阴离子结构单元具有(XO4)n-、(XmO3m+1)n-或(XO3)n-的组成,其中m和n为彼此独立地大于0的数;
6.根据权利要求5所述的可充电电池单元(2、20、40),其中,所述聚阴离子化合物具有AxMy(PO4)aFb的组成;
7.根据权利要求5所述的可充电电池单元(2、20、40
8.根据权利要求5所述的可充电电池单元(2、20、40),其中,所述聚阴离子化合物具有AxMy(SO4)aFb的组成;其中所述聚阴离子化合物优选为具有LiFeSO4F、LiCoSO4F、LiNiSO4F或LiMnSO4F的组成。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的可充电电池单元(2、20、40),其中,所述聚阴离子化合物包含至少两种不同的聚阴离子结构单元(Xr1Os1)n-和(Gr2Os2)k-,其中n、k、r1、r2、s1和s2彼此独立地为大于0的数;
10.根据前述权利要求中任意一项所述的可充电电池单元(2、20、40),
11.根据前述权利要求中任意一项所述的可充电电池单元(2、20、40),
12.根据前述权利要求中任意一项所述的可充电电池单元(2、20、40),
13.根据前述权利要求中任意一项所述的可充电电池单元(2、20、40),
14.根据前述权利要求中任意一项所述的可充电电池单元(2),
15.根据权利要求14所述的可充电电池单元(2、20、40),
16.根据权利要求14或15所述的可充电电池单元(2、20、40),
17.根据前述权利要求中任意一项所述的可充电电池单元(2、20、40),
18.根据权利要求17所述的可充电电池单元(2、20、40),
19.根据前述权利要求中任意一项所述的可充电电池单元(2、20、40),
20.根据前述权利要求中任意一项所述的可充电电池单元(2、20、40),
21.根据前述权利要求中任意一项所述的可充电电池单元(2、20、40),
22.根据前述权利要求中任意一项所述的可充电电池单元(2、20、40),
23.根据前述权利要求中任意一项所述的可充电电池单元(2、20、40),
24.根据前述权利要求中任意一项所述的可充电电池单元(2、20、40),
25.根据前述权利要求中任意一项所述的可充电电池单元(2、20、40),
26.根据前述权利要求中任意一项所述的可充电电池单元(2、20、40),
...【技术特征摘要】
1.一种可充电电池单元(2、20、40),包括活性金属、至少一个正极(4、23、44)、至少一个负极(5、22、45)、壳体(1、28)和电解质,
2.根据权利要求1所述的可充电电池单元(2、20、40),其中,所述聚阴离子化合物具有axmy(xr1os1)afb的组成,其中,
3.根据权利要求2所述的可充电电池单元(2、20、40),其中,所述金属a选自由元素锂、钠、钙或锌组成的组;所述金属a优选为锂或钠。
4.根据权利要求2所述的可充电电池单元(2、20、40),其中,所述金属m选自由元素钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜和锌组成的组。
5.根据权利要求2-4中任意一项所述的可充电电池单元(2、20、40),其中,所述第一聚阴离子结构单元具有(xo4)n-、(xmo3m+1)n-或(xo3)n-的组成,其中m和n为彼此独立地大于0的数;
6.根据权利要求5所述的可充电电池单元(2、20、40),其中,所述聚阴离子化合物具有axmy(po4)afb的组成;
7.根据权利要求5所述的可充电电池单元(2、20、40),其中,所述聚阴离子化合物具有axmy(sio4)afb的组成;
8.根据权利要求5所述的可充电电池单元(2、20、40),其中,所述聚阴离子化合物具有axmy(so4)afb的组成;其中所述聚阴离子化合物优选为具有lifeso4f、licoso4f、liniso4f或limnso4f的组成。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的可充电电池单元(2、20、40),其中,所述聚阴离子化合物包含至少两种不同的聚阴离子结构单元(xr1os1)n-和(gr2os2)k-...
【专利技术属性】
技术研发人员:L·津克,C·皮艾斯索拉,M·博克,
申请(专利权)人:英诺锂科技股份公司,
类型:发明
国别省市:
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